2.4.1 Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques
Il se dégage des théories existantes, deux conceptions différentes concernant la nature et les processus de formation de streamers. La première est basée sur le phénomène d’ionisation en avalanche dans les liquides (comme dans les gaz) donnant lieu à une phase gazeuse ionisée. La deuxième est basée sur le phénomène d’ionisation en avalanche dans les bulles de gaz résultant d’une vaporisation locale du liquide.
Beroual [14, 31] a montré que les mécanismes gazeux (où la bulle sert de détonateur) et électronique ne peuvent agir singulièrement. L’influence remarquable de la pression hydrostatique sur l’initiation et la propagation des streamers, et l’analyse chromatographique des liquides testés, montrent que la nature physique des streamers est gazeuse. D’autre part, l’action d’additifs spécifiques (capteurs d’électrons et à bas potentiel d’ionisation), l’effet de la présence d’halogène dans la molécule du liquide sur les streamers, et l’analyse spectroscopique de la lumière émise par les streamers, indiquent que les processus électronique sont aussi présents.
Les streamers sont caractérisés par leur forme et leur vitesse. Ils sont accompagnés de courants, d’émission lumineuse et d’ondes de chocs. Ces caractéristiques dépendent de la composition chimique et des propriétés physiques du liquide (pur ou contenant de faibles concentrations d’additifs spécifiques), de la pression et de la température, de la géométrie des électrodes, de l’amplitude, de la polarité, et de la forme de la tension, des contaminants de l’air, de l’humidité, des particules et autres traces d’impuretés présentes. Il existe une corrélation étroite entre ces différentes caractéristiques [14, 37].
Notons que les mesures du champ électrique par effet Kerr montrent que les streamers sont conducteurs avec une chute de tension aux bornes du streamer <10% de la tension totale appliquée aux électrodes [38].
53 Les formes arborescentes des streamers sont généralement classées en lents et ‘‘buissonneux’’ pour les streamers émanant de l’électrode négative ou rapides et ‘‘filamentaires’’ avec un diamètre typique des filaments de l’ordre de 10 µm pour les streamers émanant de l’électrode positive [14]. Les streamers positifs sont souvent plus rapides que les streamers négatifs (environ 10 fois plus), à l’exception de l’huile de transformateur où les vitesses des streamers positifs et négatifs sont du même ordre. Cette classification selon la polarité a été remise en cause par Beroual [30, 31]. Il a montré en effet que dans les liquides contenant un halogène dans leur molécule, les streamers négatifs peuvent être également filamentaires est très rapides. Notons que certains auteurs classent les streamers positifs en plusieurs modes selon leurs vitesses de propagation ; ils distinguent généralement trois modes consécutifs: 1er, 2ème et 3ème modes de propagation [38, 39].
Dans ce qui suit, nous allons décrire de façon synthétique, l’influence de divers paramètres sur certaines caractéristiques des streamers.
2.4.2 Courant et émission lumineuse accompagnant les streamers
L’amplitude et la forme des courants et des signaux lumineux associés aux streamers dépendent de plusieurs paramètres. En géométrie pointe – plan et pour de faibles intervalles (<5 cm), les courants et émissions lumineuses (signaux) des streamers lents du type ‘‘buisson’’ comportent des impulsions rapides, irrégulièrement espacées et dont le nombre et l’amplitude augmentent avec le temps de propagation des streamers et/ou la tension appliquée et/ou lorsque l’intervalle inter électrodes diminue, quelle que soit la polarité (Figure 2.4) [14]. Les courants et la lumière émise par les streamers filamentaires rapides présentent une composante continue sur laquelle se superposent d’autres impulsions, de fréquences plus régulières que celles relatives aux streamers lents [16, 40]. Quels soient la polarité et le liquide testé, le courant des streamers rapides est plus élevé que celui de streamers lents [14]. De façon générale, l’amplitude des courants et l’intensité de la lumière émise augmentent avec la vitesse de propagation des streamers et ce dans les deux polarités.
Pour les grandes distances inter électrodes (5 à 100 cm), les courants de streamers aussi bien positifs que négatifs, comportent des impulsions irrégulièrement espacées [40]. L’amplitude de ces impulsions peut atteindre quelques ampères. La forme du courant de streamers et du signal lumineux associée, sous la tension alternative, sont similaires à ceux observés sous tension impulsionnelle ou en créneau de tension [14].
54 Comme le courant, la charge électrique dépend de la forme et de la vitesse des streamers [14]. La charge totale des streamers rapides est plus élevée que celle des streamers lents. Plus l’énergie de streamer est élevée, plus sa vitesse est élevée.
20µm 20µm 20µm
Figure 2.4 : Enregistrement simultané de l’évolution d’un streamer négatif dans l’hexane avec le courant et la charge correspondante. U=15.5 kV ; d=3.2 mm ; rp=1 µm. L’intervalle entre images et le temps d’exposition sont respectivement de 512 et 102 ns [41].
2.4.3 Influence des propriétés du liquide
2.4.3.1 Influence de la viscosité et de la masse volumique
La viscosité des liquides n’a qu’une influence très limitée sur la vitesse de propagation des streamers [14, 42]. En effet, l’étude de quatre huiles silicones à savoir des polybutènes fluides – Napvis de viscosité variant de 90 à 4 105 cSt à -20°C, n’a montré qu’une très légère tendance à la décroissance de la vitesse des streamers lents, obtenus en polarité négative avec
55 une géométrie pointe – plan, lorsque la viscosité augmente. Des résultats comparables ont été également obtenus en polarité positive. Des résultats similaires ont été obtenus avec d’autres huiles silicones - des polydimethylsiloxanes – dont la viscosité variait de 10 à 104 cSt [43].
En ce qui concerne l’influence de la masse volumique, Sakamoto et Yamada [39] ont classé les liquides diélectriques en fonction de leur masse volumique et de la vitesse des streamers positifs. Beroual [31] avait démontré que cette classification n’est pas justifiée car dans les liquides halogénés, la vitesse des streamers positif et négatif est plus importante que celle obtenus dans liquides sans halogènes indépendamment de leurs masses moléculaires.
2.4.3.2 Influence de la structure moléculaire
La structure moléculaire a un effet significatif sur la propagation des streamers. Le principal paramètre affectant la propagation des streamers est l’affinité électronique des molécules du liquide [14]. La présence d’un seul atome de chlore dans le chlorocyclohexane mène à une multiplication de la vitesse des streamers négatifs par un facteur 10 par rapport à celle obtenue dans le cyclohexane pur (où les streamers sont lents et en forme de buisson) [43]. Le streamer est plus filamentaire, donc plus rapide dans le chlorocyclohexane que dans les autres liquides exempt d’halogènes tels que le cyclohexane, le transdécahydronaphthalène et le cis-décahydronaphthalène [34].
Dans la plupart des hydrocarbures saturés (avec un rayon de courbure de l’électrode pointe >10 µm), le streamer négatif présente une structure en buisson alors que dans les liquides aromatiques purs (hydrocarbure non saturés), on observe une structure filamentaire [14]. La longueur finale des streamers positifs dans les liquides contenant des liaisons doubles, est plus élevée que celle obtenue dans les liquides hydrocarbures linéaires et saturés [44]. L’influence de la longueur de la chaîne d’hydrocarbure du liquide a été étudiée sous un champ non uniforme dans les hydrocarbures linéaires par [45], il a été observé que la vitesse de propagation des streamers augmente avec la longueur de la chaîne d’hydrocarbure du liquide dans les deux polarités.
Pour les longs intervalles inter électrode, les streamer rapides dans les huiles esters synthétiques apparaissent à des tensions beaucoup plus faibles que pour les huiles minérales [46].
56
2.4.4 Influence de la pression
Il est connu depuis longtemps qu’une augmentation de la pression hydrostatique améliore de façon importante la rigidité diélectrique d’un liquide. L’influence de la pression sur la rigidité diélectrique diffère selon la polarité. Dans certains liquides, il semble qu’en polarité négative la tension de claquage augmente avec la pression, alors qu’en polarité positive la tension de claquage augmente relativement peu. Les processus gazeux dominent donc en polarité négative plus qu’en polarité positive. [33, 47-51].
Figure 2.5 : Streamer négatif dans le cyclohexane sous l’influence de la pression [51].
En effet, une pression de quelques bars peut faire disparaître le streamer (Figure 2.5). Cependant, il faut beaucoup plus de pression pour les streamers rapides filamentaires que pour les streamers lents en forme de buisson. Des effets similaires ont été également observés sur les courants associés aux streamers ; l’augmentation de la pression réduit la fréquence et l’amplitude des courants associés aux streamers. Au-dessus d'une pression seuil (ou pression de disparition) liée à l'énergie du streamer, les impulsions de courants et de lumière correspondants disparaissent. Aucun effet appréciable n’a été cependant relevé lorsque la pression est diminuée en dessous de la pression atmosphérique [14].
2.4.5 Influence de la température
Dans certains liquides, tels que le n-hexane et le cyclohexane, l’augmentation de la température a pour effet d’augmenter la vitesse de propagation des streamers rapides ou encore la probabilité d’apparition des streamers lents [52]. La vitesse des streamers positifs dans le cyclohexane passe de 1.9 à 3 km/s lorsque la température est élevée de 18 à 76°C alors qu’aucun changement dans la tension de génération n’a été relevé dans ce liquide. Seule une légère augmentation du nombre et de l’amplitude des pics de courant et de lumière, a été
57 observée. Par contre, lorsqu’on baisse la température à une valeur comprise entre -6 et -30 °C, la tension de génération devient beaucoup plus importante qu’aux températures supérieures à +5 °C : Elle augmente de 15 à 25 kV en polarité négative et de 17 à 26 kV en polarité positive [53].
En portant l’hexane jusqu’à une température proche de son point d’ébullition, McGrath et Nelson [54] n’ont observé pratiquement aucun effet sur les phénomènes de préclaquage. La vitesse des streamers positifs passe de 2.3 km/s à seulement 2.7 km/s lorsque la température varie de 5 à 42 °C, celle des streamers négatifs ne subit aucune variation.
2.4.6 Influence de la polarité
En géométrie pointe – plan, l’influence de la polarité se manifeste sur la génération, la forme et la vitesse de propagation des streamers (Figure 2.6).
Streamer positif : lorsque la valeur du champ appliqué est modérée (2 MV/cm < E <
12 MV/cm), les streamers positifs primaires apparaissent en branches sous forme de ‘‘parapluie’’ [14]. Ils se propagent à une vitesse constante de l’ordre de 2 à 3 km/s. Aux champs très élevés, un streamer très filamentaire donc très rapide (plus 100 km/s), dit streamer positif de 3eme mode peut être observé.
Streamer négatif : les streamers prennent naissance à partir d’un champ à la pointe
E > 2.5 MV/cm sous forme de buisson dont les branches (de diamètre de l’ordre de 30 à 70 µm) se propagent simultanément dans les directions axiale et latérale jusqu’à atteindre l’électrode opposée [14]. Aux valeurs de champ plus élevées, le streamer apparaît sous forme de buisson assez compact et se propage à une vitesse légèrement supérieure à celle des précédents. Lorsque le champ est très élevé, une seule branche (streamer monocanal) atteint l’électrode opposée à une vitesse pouvant dépasser les 100 km/s [14]. Par conséquent, on peut également avoir des streamers très rapides en polarité négative.
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Figure 2.6 : Types de streamers usuellement observés dans le cyclohexane [34].
2.4.7 Influence de géométrie des électrodes
La vitesse et le mode de propagation de streamers dépendent énormément du champ électrique, qui est fonction de la tension appliquée, de la géométrie d’électrode (rayon de courbure d’électrode pointe et distance inter électrode), de la charge d’espace provenant du volume de liquide ou des électrodes (injection). En géométrie pointe – plane, la forme de streamers peut changer avec le rayon de courbure de la pointe. Aux rayons de courbure supérieurs à la valeur critique seuls les streamers en buisson sont observés en pointe négative. Et aux rayons de courbure inférieurs à la valeur critique, les formes de streamers changent de sphérique à hémisphérique, pagode et buisson avec l’augmentation de la tension appliquée [14].
Dans les géométries d’électrode très divergentes, sous tension alternative, avec une distance inter électrode de 25 mm environ et un champ moyen E < 10 kV/cm, le claquage du
59 liquide est contrôlé par la propagation des streamers positifs, alors que dans les géométries divergentes modérés avec une distance inter électrode de l’ordre de 5 mm et un champ moyen E < 80 kV/cm, le claquage du liquide est contrôlé par un streamer négatif [14].
Pour une tension donnée, le temps de retard au claquage augmente linéairement avec la distance inter électrode, alors que l’amplitude, la durée, le nombre et la longueur des streamers diminuent [14, 34].
2.4.8 Influence des additives
La question de l’effet des additifs, en particulier les composés capteurs d’électrons et à bas potentiel d’ionisation, sur la propagation de streamers et sur la tenue diélectrique est capitale. Y a-t-il un lien entre la vitesse des streamers et la tension de claquage ?
Additifs capteurs d’électrons
La présence de faibles concentrations de composés poly-aromatiques, réduit de façon significative la rigidité d’une huile naphténique en géométrie pointe – sphère sous tension impulsionnelle [3, 15, 18, 55]. Cette réduction peut être due à la diminution de la tension de génération des streamers ou à l’augmentation de leur vitesse. Ces composés ayant à la fois un bas potentiel d’ionisation et une grande affinité électronique, il est difficile de savoir la quelle des deux phases (génération ou propagation) est affectée par leur présence. Et c’est dans un travail de pionniers que Devins et al. [15] ont mis en lumière l’effet de chaque type d’additifs. Ils ont observé que l’addition de composés capteurs d’électrons tels que l’hexafluorure de soufre (SF6) ou de chlorure d’éthylène à une huile naphténique ou au 2, 2, 4 – triméthylpentane, rendait les streamers négatifs plus filamentaires et plus rapides. Aucun effet remarquable n’a été observé sur les streamers positifs.
En ajoutant 0.04 mol/l de tétrachlorure de carbone, CCl4, (composé capteur d’électron) au cyclohexane, Beroual [43] ont observé que les streamers négatifs devenaient plus filamentaires et plus rapides avec des vitesses pouvant être multipliées par un facteur 10, les pics de courant et de la lumière associés plus nombreux et intenses (Figure 2.7 et 2.8a). Il n’y a pas d’effet notable de ces additifs sur les streamers positifs dans les mêmes liquides.
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(a) Cyclohexane pur (b) Cyclohexane + 0,04 mol/l de CCl4
Figure 2.7. Influence des additifs sur la forme des streamers négatifs dans le cyclohexane, U=50 kV; L=2 mm; rp=3 mm [43].
Additifs à bas potentiel d’ionisation
L’ajout de faibles concentrations de composés à bas potentiel d’ionisation telle que la N, N’-dimethylaniline (DMA) accélère les streamers positifs dans l’huile naphténique (Marcol 70), la vitesse est multipliée par un facteur 2 à 3. Aucun effet n’est observé sur la vitesse des streamers négatifs [56]. Beroual [43] ont observé une légère augmentation de la vitesse de streamers négatifs et une multiplication par un facteur 3 de celle de streamers positifs, en ajoutant 0.05 mole/l de tetramethyle paradiphenylamine (TMDP) au cyclohexane. Cependant, au dessus d’une concentration de 0.4 à 0.5 mole/l, aucune augmentation significative de la vitesse n’est observée. Un effet similaire est observé avec DMA (Figure 2.8b) [55].
L’effet des additifs capteurs d’électrons ou à bas potentiel d’ionisation montre bien l’implication des processus électroniques dans le mécanisme de propagation des streamers.
Figure 2.8 : Effet des additifs (a) capteurs d’électron (CCl4) sur la vitesse des streamers négatifs et (b) à bas potentiel d’ionisation (DMA) sur la vitesse des streamers positifs [43].
61 2.4.9 Analyses spectrale et chromatographique
Les analyses spectroscopiques de la lumière émise par les streamers ont révélé dans le n-hexane, la présence d’hydrogène atomique et moléculaire et de carbone (C2 et C3) ainsi que des traces de métal provenant des électrodes [58-60].
Dans le cyclohexane, le mono- dibenzyle-toluène (M/DBT) et le phenylxylyléthane (PXE), il a été observé une formation d’hydrogène aussi bien atomique que moléculaire et des substances carbonées [61]. La formation de ces espèces a été attribuée à la dissociation des molécules du liquide pouvant être engendrée par un mécanisme d’avalanche électronique similaire à celui observé dans les gaz.
Les analyses chromatographiques des gaz dissous, générés par les streamers, dans le PXE et le MDBT ont mis en évidence l’existence de H2, CH4, C2H4, C2H6 et C2H2. La formation de ces produits a été attribuée à la recombinaison du carbone et de l’hydrogène provenant de la dissociation et la fragmentation des molécules du liquide [61].